Файл: Устройство и принцип действия осциллографа с электроннолучевой трубкой.pdf

1
Устройство и принцип действия осциллографа

2
Осциллограф – измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения и исследования электрических сигналов.
Устройство и принцип действия осциллографа
с электронно-лучевой трубкой
В основе работы осциллографа лежит преобразование исследуемых электрических сигналов в видимое изображение на экране электронно- лучевой трубки.
Рис. 1. Упрощенная функциональная схема осциллографа с электронно-лучевой трубкой.
П
1
– переключатель режима входа («АC» – закрытый вход, «DC» – открытый вход); П
2
–
переключатель источника синхронизации («Внутр.» – внутренняя синхронизация,
«Внеш.» – внешняя синхронизация); П
3
– переключатель входов УГО
В состав функциональной схемы (рис. 1) осциллографа входят следующие блоки: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), аттенюатор (А), усилитель вертикального отклонения (УВО), усилитель горизонтального отклонения (УГО), блок синхронизации (БС), генератор развертки (ГР), блок питания (БП).
Главным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянную колбу, запаянную с одной стороны и расширяющуюся с другой стороны на конус. Сама трубка, как правило, имеет цилиндрическую форму, а расширяющаяся часть может быть как цилиндрической, так и прямоугольной формы. Расширяющаяся часть трубки заканчивается плоскостью, которая образует, так называемый экран ЭЛТ.
Внутренняя часть экрана покрыта специальным составом – люминофором.
Главным свойством люминофора является способность светиться при бомбардировке его электронным пучком. Такая способность называется
люминесценция.
А
УВО
БП
“Фок.”
“Ярк.”
R
1
R
2
“AC”
“DC”
П
1
ВходY
C
БС
Вход синхр.
П
2
“Внутр.”
“Внеш.”
“В/дел”
“Время/дел”
ГР
УГО
Вход X
П
3
“X-Y”
U
нак
ЭЛТ
Люминофор
ГОП(X)
ВОП(Y)
К УЭ(М)
электронный прожектор
ФЭ(А
1
)
А
2

3
Внутри трубки вдоль центральной оси располагается электронный
прожектор, представляющий собой систему электродов, с помощью которой формируется узкий поток электронов (электронный пучок) –
электронный луч. Кроме прожектора, внутри трубки находятся две пары взаимно перпендикулярных пластин, предназначенных для перемещения электронного пучка вдоль экрана и получения на экране так называемых
осциллограмм. Одна пара
(Y-пластины) называется вертикально отклоняющие пластины (ВОП) расположена горизонтально. Вторая пара (X- пластины), расположенная вертикально, называется горизонтально отклоняющие пластины (ГОП).
В состав электронного прожектора входит:
1. Катод (К) является источником электронов, испускаемых под действием высоких температур
(этот процесс называется
термоэлектронной эмиссией). Для нагрева катода используется специальная спираль, на которую подается напряжение накала U
нак
2. Управляющий электрод (УЭ) или модулятор (М) предназначен для первоначального фокусирования электронного пучка и регулирования яркости свечения изображения на экране. К управляющему электроду прикладывается отрицательное напряжение относительно катода.
3. Фокусирующий электрод (ФЭ) или первый анод (А
1
) служит для ускорения электронов, входящих в электронный пучок и его фокусировки, т.е. для снижения поперечного сечения пучка. К данному электроду прикладывается положительное напряжение относительно катода.
4. Второй анод (А
2
) используется для дальнейшего ускорения электронов. К электроду прикладывается самое большое напряжение относительно катода, составляющее несколько единиц-десятков киловольт. В совокупности с фокусирующим электродом второй анод также предназначен для фокусировки электронного пучка.
Конструктивно все электроды электронного прожектора выполнены в виде полых цилиндров, расположенных по оси трубки, и имеют перегородки с отверстиями. Два соседних электрода образуют, так называемую
электронную линзу.
Подача напряжений на электронный прожектор осуществляется следующим образом. Катод имеет нулевой потенциал относительно «земли».
Для фокусировки электронного луча на ФЭ подается положительное напряжение относительно катода, величину которого можно менять с помощью специального потенциометра «Фок.». К аноду А
2
приложено положительное напряжение. Величина данного напряжения подбирается при настройке прибора. Для управления интенсивностью электронного луча к УЭ

4 относительно катода приложено отрицательное напряжение, величина которого регулируется потенциометром «Ярк.».
Электронный прожектор излучает узкий пучок электронов – электронный луч, который проходит между парами отклоняющих пластин.
Под действием напряжений, подаваемых на эти пластины электронный луч отклоняется по осям X и Y, вызывая перемещение светового пятна на экране
ЭЛТ.
Рассмотрим принцип формирования видимого изображения на экране осциллографа.
1. Если к отклоняющим пластинам (ОП) не прикладывать напряжения, то электронный луч будет падать в центральную точку экрана 1 (на рис. 2).
2. Если подвести сигнал к Y-пластинам, например, синусоидальное напряжение, а вторую пару (X-пластины) оставить без потенциалов, то на экране будем видеть вертикальную линию 2, длина которой будет зависеть от величины приложенного напряжения (рис. 2).
3. Подадим синусоидальное напряжение к
X-пластинам, а Y-пластины оставим свободными, без потенциалов. В этом случае на экране будет отображаться горизонтальная линия 3 (рис. 2). Длина линии определяется амплитудой сигнала.
Рис. 2. Схематичное изображение отклоняющих пластин и примеры формирования изображения на экране ЭЛТ
4. Если подать одновременно две синусоиды на Х- и Y-пластины, то на экране будем видеть линию под углом 45°, при условии, что фазовый сдвиг между синусоидами отсутствует (рис. 3).
X
1
X
2
Y
1
Y
2 1
2 3

5
Рис. 3. Изображение на экране ЭЛТ при подаче на ОП двух синфазных синусоидальных напряжений
Рис. 4. Изображение на экране ЭЛТ при подаче на ОП противофазных сигналов
Рис. 5. Изображение на экране ЭЛТ при подаче на ОП сигналов с фазовым сдвигом π/2 5. Если на обе пары ОП подать противофазные напряжения, то на экране электронный луч сформирует линию, проходящую через центр экрана по углом минус 45
о
(рис. 4).
X
1
X
2
Y
1
Y
2 0
U
X
t
0
t
U
Y
X
1
X
2
Y
1
Y
2 0
U
X
t
0
t
U
Y
X
1
X
2
Y
1
Y
2 0
U
X
t
0
t
U
Y

6 6. При подаче на пластины синусоидальных сигналов, сдвинутых на π/2, в центре на экране отобразится окружность (рис. 5).
Примечание: почему мы видим линии на экране? Если бы глаз человека был совершенным, т.е. обладал бы бесконечно большой скоростью восприятия информации, то человек видел бы перемещение точки по экрану.
Поскольку глаз является инерционным органом, человек видит на экране светящуюся линию при достаточно большой частоте входного сигнала. Если частоту входного сигнала сделать маленькой ≈ 1 Гц, то глаз будет видеть перемещение светящейся точки.
Изображение, полученное на экране осциллографа под действием двух синусоидальных сигналов, поступающих на пластины горизонтального и вертикального отклонения одновременно, называется фигурой Лиссажу. По виду данной фигуры можно определить фазовый сдвиг между двумя синусоидальными сигналами с одинаковой частотой. В общем случае фигура, получаемая на экране осциллографа, представляет собой эллипс (рис. 6).
Фазовый сдвиг, в градусах, рассчитывается по формуле: arcsin
A
B
 
 
 
 
, если размеры синусоид на экране одинаковы.
Измерение разности фаз методом фигур Лиссажу можно производить только с помощью двухканального осциллографа, работающего в специфическом режиме X-Y.
Рис. 6. Фигура Лиссажу. A – расстояние между точками пересечения эллипса и центральной вертикальной линии экрана; B – максимальный размер эллипса по вертикали
Режим X-Y позволяет получить зависимость между двумя величинами в декартовой системе координат на экране осциллографа. Например, данный режим позволяет получать на экране осциллографа вольт-амперные характеристики диода, стабилитрона, петли гистерезиса магнитных материалов и др. Режим X-Y является специфическим и используется
A
B

7 достаточно редко. В обычном режиме, называемом классическим, исследуемый сигнал подается на ВОП, а на ГОП – линейноменяющееся напряжение (рис. 7), называемое напряжением развертки (развертка), вырабатываемое генератором развертки (генератор пилы).
Если на пластины горизонтального отклонения подавать только напряжение развертки, то на экране будет наблюдаться горизонтальная светящаяся линия развертки. За время прямого хода светящаяся точка перемещается с постоянной скоростью из крайнего левого положения в крайнее правое. За время обратного хода практически равного нулю, светящаяся точка практически мгновенно возвращается в крайнее левое положение.
Рис. 7. Диаграмма напряжения развертки («пилы»)
В простейшем случае изображение на экране будет неподвижно только когда период исследуемого сигнала равен, либо кратен, в меньшую сторону, периоду напряжения развертки. Для получения устойчивого изображения исследуемого сигнала в осциллографе осуществляется синхронизация напряжения развертки с исследуемым сигналом. БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с изменением исследуемого сигнала. На рис. 8 приведены диаграммы напряжений на отклоняющих пластинах для входного синусоидального сигнала. БС запускает ГР, когда напряжение на входе достигает уровня запускающего напряжения U
зап на каждом периоде синусоиды. На экране ЭЛТ отображается только часть исследуемого сигнала, в течение которой действует напряжение развертки.
Различают два вида синхронизации внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатель П
2
– в положении «Внутр.») запуск ГР осуществляется непосредственно самим входным сигналом. В режиме внешней синхронизации (переключатель П
2
– в положении «Внеш.»)
ГР запускается внешним сигналом, поступающим на вход внешней
0
t
T
t
пх
u
р
t
ох

8 синхронизации. Очевидно, что если нет внешнего сигнала, то нет и развертки.
Рис. 8. Диаграммы напряжений на ОП и изображение на экране ЭЛТ
Существует два режима работы генератора развертки ждущий и
автоколебательный (автоматический). В ждущем режиме схема синхронизации блока синхронизации производит отбор поступающих сигналов по величине и полярности (критерии задаются внешними органами управления). Если эти параметры соответствуют требуемым, блок БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с входными сигналами, и на экране ЭЛТ формируется соответствующее изображение. При несоответствии параметров сигналов ГР не запускается, следовательно, изображение на экране отсутствует.
В автоколебательном режиме БС и ГР работают аналогично ждущему режиму. Если входные сигналы не соответствуют требованиям или вовсе отсутствуют на входе осциллографа, ГР работает с частотой приблизительно равной 100 Гц. Таким образом, в этом случае синхронизация отсутствует, поэтому в данном режиме на экране наблюдаются «нечеткие» («бегущие») осциллограммы.
Принцип действия осциллографа по функциональной схеме
Входной сигнал последовательно поступает на аттенюатор А и усилитель УВО, где нормируется по величине (усиливается или ослабляется) до уровня удобного для наблюдения. Усиленный сигнал поступает на пластины вертикального отклонения ЭЛТ и одновременно, при внутренней синхронизации, запускает генератор развертки, вырабатывающий пилообразное напряжение. Генератор развертки выдает сигнал на УГО, где пилообразное напряжение усиливается до требуемой величины. Усиленная
0
t
0
t
u
Y
u
X

9 пила поступает на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ. Таким образом, на экране ЭЛТ появляется видимое изображение входного сигнала.
Переключатель П
1
задает состояние входа Y. Положение переключателя «АС» соответствует «закрытому» входу, т.к. конденсатор препятствует прохождению постоянной составляющей сигнала, следовательно, на экране будет отображаться осциллограмма сигнала без постоянной составляющей. В положении «DC» (открытый вход) на экране виден непосредственно входной сигнал.
Блок питания БП вырабатывает необходимые питающие напряжения, поступающие на все функциональные блоки осциллографа.
В режиме X-Y переключатель П
3
отключает ГР и подключает вход X непосредственно к усилителю УГО.

10
Устройство и принцип действия цифрового осциллографа
Цифровой осциллограф - это конструктивное объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. На рис. 9 приведена упрощенная структурная схема цифрового осциллографа.
Рис. 9. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа
Главной частью цифрового осциллографа является контроллер или компьютер, который через органы управления обеспечивает связь осциллографа с пользователем, а также управляет всеми узлами осциллографа.
Исследуемый входной сигнал Y(t) через усилитель входного сигнала попадает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который с частотой, определяемой генератором развертки, производит оцифровку мгновенных значений входного сигнала. Частоту генератора развертки
(частоту дискретизации) можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.
На выходе
АЦП входной сигнал представлен дискретной последовательностью кодовых (цифровых) слов, которые записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Запись данных в ОЗУ осуществляется таким образом, что каждое новое значение вытесняет из ОЗУ наиболее старое по времени значение.
Для получения устойчивого изображения исследуемого сигнала в осциллографе осуществляется синхронизация напряжения развертки с исследуемым сигналом. Если выбранный для синхронизации сигнал соответствует заданным в настройках параметрам (полярности, уровню) блок синхронизации сообщает об этом контроллеру, который производит оцифровку следующих точек исследуемого сигнала, а затем останавливает генератор развертки. Последняя запись точек в ОЗУ отображается на экране дисплея. Каждой ячейке ОЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её горизонтальная координата определяется номером ячейки, а вертикальная кодовым словом, находящемся в этой ячейке. Таким образом, пользователь видит на дисплее изображение входного сигнала или

11
осциллограмму. Осциллограмма – это построенная с помощью осциллографа кривая, отражающая параметры какого-либо колебательного процесса.
Высокая скорость работы современных электронных схем приводит к тому, что пользователь видит изображение на экране цифрового осциллографа практически в реальном времени.
Используя возможности компьютера цифрового осциллографа, можно не только наблюдать входные сигналы в реальном времени, но и выполнять различные математические операции с ними: усреднять входной сигнал для уменьшения шума, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования
Фурье, измерять различные параметры входных сигналов (амплитуда, частота, период и т.п.). Кроме того многие модели цифровых осциллографов способны выводить изображение с экрана на печатающее устройство
(принтер), записывать оцифрованный входной сигнал на носители информации - дискеты или устройства хранения на основе флеш-памяти
("флешки"), передавать накопленные данные на компьютеры или даже в
Интернет. Все эти возможности цифровых осциллографов приводят к тому, что они постепенно вытесняют все остальные виды осциллографов.
Техническое описание осциллографа RIGOL DS1052E
Общие сведения
Осциллографы RIGOL DS1052E имеют:

цветной ЖК дисплей размером 5,7 дюйма;

возможность сохранения данных, печати на принтер и обновления программного обеспечения через порт USB;

регулировать яркость осциллограмм;

возможность автоматической настройки нажатием одной кнопки
(AUTO) для быстрого получения осциллограммы входного сигнала;

сохранение осциллограмм во внутренней памяти, поддержка форматов
CSV, BMP и PNG;

функция увеличения фрагмента позволяет одновременно наблюдать всю осциллограмму сигнала и ее увеличенный фрагмент;

автоматическое измерение 22 (20) параметров;

измерение положения курсора, автоматически отслеживающего форму сигнала при его перемещении;

автоматический покадровый регистратор формы сигнала позволяет автоматически регистрировать и воспроизводить осциллограммы;

возможность быстрой автокалибровки пользователем;

встроенные частотомер и быстрое преобразование Фурье (БПФ или
FFT);